揭示褪黑素(MT)通过调控激素信号和次级代谢通路促进葡萄根系发育的分子机制

本研究针对葡萄根系发育调控机制不明的问题，通过外源褪黑素(MT)处理结合转录组分析，发现10 μmol·L-1 MT通过协调植物激素(IAA/ABA/GA)、次级代谢(苯丙烷/芪类)和淀粉蔗糖代谢通路，显著促进葡萄根系生长。该成果为葡萄品种选育提供了理论依据。

　　

葡萄作为重要的经济作物，其根系发育直接影响植株抗逆性和果实品质。然而，葡萄根系构型受多重因素调控的分子机制尚不明确。近年来，褪黑素(melatonin, MT)因其与生长素(indole-3-acetic acid, IAA)的结构相似性，被发现在植物生长发育中发挥多重调控作用，但其在葡萄根系发育中的具体机制仍有待解析。

为解决这一科学问题，石河子大学农业学院的Lili Xu团队在《Horticultural Plant Journal》发表研究，通过外源MT处理三个葡萄品种（'蓝宝石'、'黑帝王'和'秋脆'），结合形态学观察、激素检测和RNA-seq技术，系统解析了MT调控葡萄根系发育的分子网络。研究发现，10 μmol·L^-1 MT处理能最优促进根系生长，该浓度下内源MT、IAA和水杨酸(salicylic acid, SA)含量显著升高，而过氧化氢(H₂O₂)含量降低。转录组分析揭示，MT通过激活苯丙烷生物合成途径（特别是芪类代谢通路中10个基因上调2.94-9.22倍）和激素信号转导通路（如SAUR家族基因上调），同时抑制淀粉蔗糖代谢相关基因表达，从而协同调控根系发育。

关键技术方法包括：1) 使用不同浓度MT(1-100 μmol·L^-1)处理葡萄组培苗；2) 通过酶联免疫法测定6种植物激素含量；3) 采用RNA-seq技术分析差异表达基因(DEGs)；4) 利用GO和KEGG数据库进行功能富集分析。

3.1 IBA最适浓度促进葡萄根系发生

0.3 mg·L^-1 IBA使'蓝宝石'和'黑帝王'生根时间分别提前1-6天和10天，根系长度增加7.93-11.86倍。

3.2 IAA与IBA协同调控根系发育

0.3 mg·L^-1 IAA使'蓝宝石'根系长度达145.86 cm（较对照增加4.75倍），而'黑帝王'在0.5 mg·L^-1 IAA时效果最佳。

3.3 MT浓度效应呈现双相性

10 μmol·L^-1 MT使根系鲜重、数量、总长度和表面积分别增加1.84、1.42、1.46和1.55倍，但高浓度(100 μmol·L^-1)产生抑制。

3.4 MT调控内源激素平衡

10 μmol·L^-1 MT处理下，根系中MT、IAA和SA含量分别达峰值，而ABA含量随MT浓度升高持续增加。

3.6 转录组揭示关键代谢通路

1,419个DEGs显著富集于苯丙烷生物合成（25个基因）、植物激素信号转导和半乳糖代谢通路，其中芪类代谢通路基因VIT_19s0014g01030表达上调9.19倍。

讨论部分指出，MT与IAA功能类似但存在物种特异性：在葡萄中通过上调GA合成基因GA3ox1(VIT_04s0079g00690)和抑制ABA合成基因NCED1(VIT_19s0093g00550)，协调激素网络；同时激活WRKY/MYB等转录因子，促进次级代谢产物（如白藜芦醇）积累。该研究不仅揭示了MT作为新型植物生长调节剂的作用机制，还为葡萄抗逆育种提供了分子靶点——通过调控VcCOMT38(特定O-甲基转移酶)等关键基因，可定向改良木质素合成途径，从而培育根系发达的优质品种。